基于旁路直流回路的城轨交通再生制动能量调度研究

摘要城轨交通已成为城市耗能大户，提升列车再生制动能量的利用率对降低牵引能耗具有重要的意义。该文在分析接触网阻抗影响列车间再生制动能量传输机理的基础上，提出一种基于旁路直流回路的城轨交通再生制动能量管理与利用新思路，建立了一种基于电力电子变换器的旁路直流回路拓扑及其控制策略，并采用情景分析法开展了可行性及有效性验证。案例研究结果表明，提出的旁路直流回路拓扑及控制策略是可行的，可实现再生制动能量利用率约10%的有效提升；与地面储能系统的集成，可减少储能装置充放电次数和充放电深度，延长储能装置的使用周期与寿命。研究成果可为城轨交通再生制动能量管理与利用提供参考。

0 引言

城市轨道交通以其快速、安全、准时、载客容量大污染轻等特点而成为解决大中城市交通拥堵的首选方案。目前，中国内地累计有34个城市建成投运城轨线路5 766.6km，其中地铁线路为4 354.3km，占比75.6%，上海市城轨交通运营里程已达731.37km。随着城市轨道交通的快速发展，城轨交通已成为诸多城市基础建设的耗电大户，其节能减排问题日益突出[1-2]。据统计北京、上海、广州地铁负荷所占的比例占全市所有负荷的1.5%～2.5%，是所在城市排在首位的负荷[3]。依据我国城轨交通发展规划，不难预见未来几十年城市轨道交通的能量消耗将达到相当大的规模[3]。可见研究城市轨道交通系统绿色供能与节能技术，尤其是降低牵引能耗及提高再生制动能量的回收利用率的方法[4-7]，对城轨交通的可持续发展具有重要的理论与工程应用价值。

文献资料分析发现，城轨交通再生制动能量管理与利用技术长期受到了工业界和学术界关注。根据采用的技术路线和策略，当前城轨交通再生制动能量管理与利用技术可分为时刻表优化法、制动电阻法、逆变回馈法和储能法[7-15]。时刻表优化法是城轨交通制动能量回收利用的首选方法，但实际工程易受运行条件和客运需求限制，不能保障车辆供电品质和安全；制动电阻法技术成熟可靠，但造成能源二次浪费；逆变回馈法将能量回馈到电网，具备无功补偿功能，已在国内外得到了工程应用，但其补偿牵引网电压跌落效果有限，且受限于车辆间距离；储能法能“削峰填谷”对车-网的能流曲线进行整形。储能方式有车载和地面两种模式；车载储能需要解决效益与体积、重量之间的矛盾；地面储能模式需要克服选址与配置问题。国内外在制动能量吸收利用方式中，基于制动电阻进行耗能的方式仍占较大比重。因此通过技术创新，另辟蹊径实现城轨交通牵引网再生制动能量的先进管理和高效利用具有重要的工程价值。

鉴于此，本文在厘清接触网在实现再生制动能量流动同时电气距离受限的机理的基础上，提出了一种基于旁路直流回路的城轨交通牵引网动态能流管理思路，并给出了旁路直流回路接入拓扑及能量管理策略，采用情景分析法案例研究了可行性及有效性。研究成果可为城轨轨道交通供电安全与节能提供新的思路与参考。

1 旁路直流母线回路再生制动能量调度方法的提出

1.1 城轨交通供电系统再生制动能量利用问题分析

城轨交通牵引供电系统由牵引变电站、接触网（第三轨）、车辆及走行轨等组成。理论上相邻列车间的牵引、制动工况相同，通过接触网实现再生制动能量从制动车辆到牵引车辆的传输利用。理论上，牵引车辆、制动车辆间的交互电功率PB-T及约束可表示为

式中，UBrakingC为制动车辆直流母线电压；UTracking为牵引车辆受电弓处牵引网电压；r0为接触网单位长度阻抗值；LB-T为制动车辆及牵引车辆之间的接触网长度（等效为空间物理距离）；Umax为制动工况下车辆制动电阻开启触发值。

由式（1）可知，要增大制动车辆、牵引车辆间的电功率交互，需增大DU或减小R；实际工程中受Umax的限制，当发车密度、载客量确定的工况下，UTracking的值也基本确定了，即DU可调节的边界空间是确定的，那么减小车辆间的电气阻抗R是增大制动车辆、牵引车辆之间功率交互能力的唯一路径。即工程中在接触网阻抗及车辆制动电阻开启触发值的双重作用下，当制动车辆与牵引车辆之间的电气阻抗（车辆之间的物理空间距离）超过一定值后，可传输电功率就会小于再生制动电功率，引起车载母线直流电容电压升高超限，触发制动电阻启动，再生制动失效现象发生。

实际工程中，城轨交通车辆运营图确定后，某时刻断面车辆之间的物理空间距离则不能改变，即式（1）中的LB-T是不能改变的，要减小车辆间的电气阻抗R就需要从r0入手。对于已投运城轨交通工程，将现有接触网更换为电阻抗率更小的接触网显然不具备工程技术经济性，那么在牵引变电站之间采用电缆形成一条旁路回路，与接触网并联，则更为可行。旁路直流回路接入示意图如图1所示。

由电路理论可得，旁路直流回路并入后车辆间电气阻抗R组成系数将发生改变，即

因此在接触网的基础上再并联一条旁路直流母线，实现车辆间的电气阻抗变小是显然的。与此同时基于电力电子开关实现旁路直流回路独立于牵引网，不仅可减小系统接触网等效阻抗，提升再生制动能量的利用率，还可融合地面储能系统（Energy Storage System, ESS），降低地面储能系统工况识别与控制难度。基于电力电子开关的旁路直流母线回路可为提高城轨交通车辆再生制动的利用率与可调度性提供一种新的解决方案。

1.2 旁路直流回路组成与联网开关拓扑

1.1节的分析结果已表明，通过新增旁路直流回路可有效实现再生制动能量的调度，减少制动电阻上的消耗。理论上旁路直流回路采用直接并联即可提升再生制动能量的利用率，但该方式不能实现能量流动的管理控制，因此需考虑其接入接触网的方式，实现能量在旁路回路和原接触网的双向流动。另外，单纯的旁路母线只是拓展了能量的流动能力，平、低峰工况下相邻车辆对制动能量的吸收能力是有限的，局部区域再生制动能量产生剩余仍存在较大概率，故还应在旁路回路中增加储能装置，实现对多余制动能量的吸收再利用，进一步提高再生制动能量的利用率。旁路直流母线回路系统（bypass DC loop system）主要由直流母线、联网开关及高压支撑电容（或储能装置）组成。其中旁路直流母线主要是为能量提供通道，联网开关则实现将旁路直流母线与原始接触网的并联，高压支撑电容（或储能装置）主要用于支撑旁路母线电压及存储多余再生制动能量。旁路直流母线回路系统及联网开关S的拓扑结构如图2所示。

根据城轨交通车网特性，联网开关S的拓扑结构应能实现由牵引网、旁路直流母线回路以及通过其连接的设备之间的能量双向流动。理论上，实现预期功能的拓扑结构存在多种选择，本文设计的拓扑结构由一个基于大功率二极管的单向回路和一个基于IGBT的单向DC-DC回路组成，能量的双向控制是通过两个单向回路独立实现。其中二极管所在回路A，根据其自然导通特性实现能量从接触网到旁路回路流动；IGBT所在回路B，通过比较接中，触网电压与设定阈值控制回路，实现能量从旁路回路到牵引网流动。该联网开关拓扑连接接触网与旁路回路，称为“接触网-旁路回路”联网开关拓扑（以下称“联网开关”）。相对于双向DC-DC变换电路，采用的双向控制电路在开关器件上只用到大功率二极管、IGBT，开关管体积小，结构简单，成本较低；控制方面则只需单向控制IGBT回路，避免复杂多工况切换，特别是大电流工况下的快速切换。

2 旁路直流回路能量调度策略

本文提出的旁路直流回路能量调度策略如图3所示。图①代表一部分制动能量直接通过接触网网络传输到相邻的车辆；②代表局部牵引网电压升高工况下，多余再生制动能量从牵引网流向旁路回路；③当检测点处牵引网电压降低时，能量从旁路回路流向牵引网。

典型情景下的能量调度策略如下：

1）情景1：车辆制动导致变电站n处局部牵引网电压升高，再生制动能量剩余。

变电站n处车辆制动导致网压升高（设为UTn＞UCi，UTn为n点的接触网网压，UCi为旁路直流母线电压）时，二极管自动导通，实现能量从接触网流向旁路回路，如图3中②。再生制动能量通过接触网和旁路回路同时传递给具有一定距离的牵引车辆，实现再生制动能量的利用；同时不能被近处其他列车利用的制动能量，则通过旁路回路流向储能系统，实现对同一线路上的制动能量充分回收。储能系统的荷电状态量SOC需满足SOC≤SOCmax，否则储能系统将处于待机状态。

2）情景2：车辆牵引导致变电站m处局部牵引网电压较低，需要电压补偿。

变电站m处车辆牵引导致网压跌落（设为UTm＜Ulmin, UTm为m点的接触网网压，Ulmin为设定网压跌落时的阈值电压）时，m处联网开关中由IGBT构成的单向DC-DC通道开启，实现能量从旁路回路流向牵引网，如图3中③。将同时段相距一定距离的比如变电站n处的车辆制动能量通过旁路回路流向牵引网络，实现远距离多余再生制动能量调度利用；另一方面当储能系统的荷电状态SOC满足SOC≥SOCmin时，储能系统也将通过旁路回路为牵引网馈电，否则储能系统将处于待机状态不工作。即m处车辆的供能来自牵引网、旁路回路、临近车辆的制动能量及旁路回路储能系统。

3）情景3：接触网电压在一定范围内波动。

当线路上列车运行能够使牵引网电压在正常范围内波动时，联网开关将处于待机状态不工作。需要说明的是文中提出的工作策略均指牵引接触网处于正常工况。

以上述能量流动方式为基础制定以下控制策略，其中各旁路直流回路开关拓扑中DC-DC作为能量回收的控制及执行机构。每个分布式开关拓扑中的DC-DC变换器检测其安装点的电压，若低于所设门槛值，则开启检测点所在的变换器利用旁路直流回路进行网压补偿；若高于门槛值，则DC-DC不工作。同时，检测旁路直流回路电压，若高于所设保护高门槛值，则通过DC-DC回路为储能装置充电；若低于保护低门槛值，则利用储能装置通过DC-DC回路放电进行网压补偿，具体控制策略如图4所示。

3 案例仿真分析

3.1 仿真模型与参数设定

基于文献[15]关于城轨交通车、网建模仿真相关成果，应用PSCAD/EMTDC搭建了如图5所示的仿真系统，开展了高峰、平峰、低峰等场景仿真。案例仿真参数见表1。

3.2 直流旁路回路模式分析

考虑到案例中的接触网空载电压为1.65kV，故本模式下直流旁路回路的空载电压设定为1.65kV。直流旁路回路控制策略及控制参数如下：当列车制动导致网压上升，“联网开关”拓扑结构中二极管自然导通，使得能量从牵引网流向旁路回路；“联网开关”负责检测接入处接触网的实时电压，当检测到某处因线路上列车牵引导致接触网网压跌落小于1.60kV且旁路母线电压不低于1.70kV时，该处“联网开关”中的单向DC-DC电路工作，将能量流从旁路回路馈至牵引网，实现远处剩余再生制动能量的调度。

下面以仿真图5中左侧牵引站m分别在高峰、平峰和低峰工况下的电压和馈出电流的仿真数据为例，讨论旁路直流回路接入后对系统节能与再生制动能量的调度的可行性及效果。

文中高峰工况以发车间隔150s为例进行验证。图6是旁路直流回路母线加入前后变电站母线电压、馈出电流的变化曲线。由图6可得，原始系统列车牵引网电压最低为1.50kV左右，旁路直流母线回路并入后牵引网最低电压上升至1.60kV左右，变电站馈出电流减小，其中电流峰值降幅平均可达40%。

文中平峰工况以发车间隔270S为例进行验证。图7是旁路直流回路母线加入前后变电站母线电压、馈出电流的变化曲线。由图7可得，原始系统列车牵引网电压最低为1.52kV左右，旁路直流母线回路并入后牵引网最低电压上升至1.60kV左右，变电站馈出电流减小，其中电流峰值降幅平均可达45.5%。

文中低峰工况以发车间隔450s为例进行验证。图8是旁路直流回路母线加入前后变电站母线电压、馈出电流的变化曲线。由图8可得，与平峰时段类似，该工况下原始系统列车牵引网电压最低为1.52kV左右，旁路直流母线回路并入后牵引网最低电压上升至1.60kV左右，变电站馈出电流减小，其中电流峰值降幅平均可达45.5%。

图9为上述平峰发车间隔下旁路回路的电压、电流以及“联网开关”中单向DC-DC回路开关动作情况。

由图9可知，网压高于旁路母线电压（1.65kV）时，二极管自然导通，网压低于设定值（1.6kV甚至更低），且旁路直流母线电压大于1.7kV时，“联网开关”中单向DC-DC回路中开关打开。将网压较高处的能量调度到网压较低处，实现再生制动能量的人为调度，或将储能系统储存的能量通过旁路回路流向牵引网，抑制网压的跌落。

表2记录了在高峰、平峰、低峰时段加入旁路回路前后，一个仿真周期内牵引站耗能及车载制动电阻总耗能的数据（仿真周期：当发车间隔为150s时，则取150s为一个仿真周期）。其中高峰时段列车发车频率较高，以仿真周期取150s与180s为例；平峰时段的发车频率变低，以仿真周期取270s与300s；低峰时段列车发车频率相比于前两者最低，取330s与450s。

由表2可知，旁路直流回路加入前后，牵引站减少的供能量与制动电阻减少消耗的制动能量均有一定程度减少。系统在仅加入旁路直流母线回路时，牵引站耗能减少量=制动电阻耗能减少量+线路阻抗耗能减少量；线路损耗包括原网络中的线路损耗及新增旁路直流母线回路的线路损耗。由表2牵引站耗能减少量略大于制动电阻耗能减少量可知，加入旁路直流母线系统之后，对系统的线路损耗也有所减少。牵引站供能的减少一部分是旁路母线对线路制动能量的调度，减少牵引站的供能；另一部分是旁路直流母线对网压的抬升，降低了接触网电流，减少线路阻抗损耗，不同发车间隔下旁路回路并入后制动电阻上减少消耗的制动能量约为原系统的10%。

综上所述，旁路直流回路的加入能够实现列车再生制动能量的调度，提高再生制动能量的利用率，减少制动电阻上的消耗，同时有助于补偿接触网电压跌落，减小接触网电流，降低线路阻抗损耗。

3.3 旁路直流回路-储能模式分析

本节重点开展储能系统通过旁路回路接入接触网模式研究，分析该模式对牵引站耗能及制动能量利用率的作用，以及对储能系统本身影响。通过旁路直流回路将储能系统并入城轨交通牵引供电系统，采用上述控制策略：当牵引网压低于1.6 kV且储能系统的SOC不小于初始状态时（仿真时考虑列车运行工况储能系统初始荷电状态选为0.64即SOC=0.64，实际工程中可根据具体情况进行设置，最小不得低于0.25），“联网开关”拓扑中的DC-DC支路导通，储能系统通过旁路回路为牵引网供电；当列车制动导致牵引网压高于1.65kV且储能系统的SOC＜1时，“联网开关”中的二极管自动导通，实现接触网多余再生制动能量通过旁路回路为储能系统充电，当SOC=1或者牵引网电压高于1.78 kV时，旁路直流母线回路不动作，多余制动能量由制动电阻消耗。

高峰、平峰、低峰工况下，基于旁路回路接入储能系统前后牵引变电站、制动电阻能耗的仿真数据结果分别见表3。

表3 储能系统借助旁路直流回路接入系统前后牵引站能耗、制动电阻耗能数据

由表3可知，储能系统通过旁路回路加入供电系统后，牵引站的供能进一步减少，制动能量的利用也进一步提高。基于旁路回路将储能系统接入城轨交通供电系统，与单纯的旁路回路系统相比，可进一步减少线路能量在制动电阻上的消耗减少约60%，使得供电线路中可再生能量的利用得到提高，结合表2与表3数据，仅旁路回路模式并入对线路上制动能量的利用率提高约10%，不同工况下利用率波动不大。在旁路回路的基础上加入储能系统对制动能量的利用更进一步提高，通过旁路回路接入储能系统的方式，对制动能量的利用率可提高到约50%～70%。因此，通过旁路回路接入储能系统可明显减少制动能量在制动电阻上的消耗，提高线路上制动能量的利用率。

图10是储能系统通过旁路直流母线接入系统，与储能系统通过牵引接触网接入的传统模式下（传统模式下，储能设备通过变换电路直接与城轨交通牵引供电网络的接触网进行能量交换，案例研究中传统模式储能系统控制策略参照文献[15-16]），储能系统充放电深度、充放电次数、充放电时间等参数变化仿真曲线。

由图10可得，旁路直流母线模式下比传统方式能够显著减少储能系统中电池的充放电深度和充电次数，并一定程度缩短充放电时间。图10中传统模式储能装置仿真过程中充电次数为4次，经旁路直流母线的储能装置仅需充电3次，在相同初始条件下电池充电深度最大值明显小于1（传统方式）；第2次充电时通过旁路回路方式的储能装置比传统模式晚启动约5s，仿真时间段在旁路直流母线模式下的储能装置累计充放电时间约比传统模式储能系统缩短约10s。研究成果表明，超级电容寿命与其充放电循环次数充放电深度相关，在充放电次数增加及超级电容经受大电流的充电/放电循环的过程中，将产生温度变化，温度的变化将加剧超级电容的老化，从而缩短设备使用寿命并降低储能系统的可靠性[17-19]。可见，在旁路直流母线模式下不仅可提高再生制动能量利用率，还有助于减少储能系统的充放电次数和时间、减轻储能设备的充放电深度及降低充放电次数，从而能降低超级电容因发热而导致电容被击穿的概率，延长储能系统的使用寿命。从某种意义上说可以降低对储能装置容量的需求，减少储能装置的资金投入。

综上所述，城轨交通牵引系统中并入旁路直流母线回路，可实现对线路上同一时段制动能量的较长距离调度，提高局部牵引网电压和制动能量利用率；基于旁路直流母线的储能系统不仅可进一步提升以上效果，还可减少储能装置充放电次数和充放电深度，延长储能装置的使用周期与寿命。

4 结论

1）提出的一种基于旁路直流回路的城轨交通再生制动能量管理新思路是可行的，能有效实现再生制动能量的调度管理，减少牵引站耗能，提高再生制动能量利用率。

2）采用大功率二极管和电力电子开关器件构成的联网开关及其工作策略可有效实现能流的控制，仅旁路回路模式提高再生制动能量的利用率的效果而言，案例分析中可实现对再生制动能量利用率提高约10%。

3）储能系统+旁路直流母线回路模式不仅可进一步显著提高再生制动能量的利用率，还能有效降低储能系统的充电深度，减少充电次数与充放电时间，有利于延长储能系统的使用寿命。

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Study of Regenerative Braking Energy Flowing of Urban Rail Transit Based on Bypass DC Loop

（College of Electronic and Information Engineering Tongji University Shanghai 200092 China）

Abstract Urban rail transit (URT) has become a major energy consumer in the city, and increasing the utilization rate of train regenerative braking energy has become an important measure to reduce traction energy consumption. Based on the analysis of the influence of contact network impedance on the regenerative braking energy transmission between trains, a new idea of URT regenerative braking energy management and utilization based on bypass DC loop was proposed, also establised a power electronic converter based on the bypass DC loop and the control strategy of its topology,then verified the feasibility and effectiveness using the scenario analysis method. Study results show that the proposed bypass DC loop topology and control strategy are feasible, and it can achieve an effective increase of about 10% in regenerative braking energy utilization. Integration with the ground energy storage system can reduce the frequency and depth of charge and discharge of the energy storage device, extend the life cycle and life of the energy storage device. The research results can provide a reference for the management and utilization of regenerative braking energy in URT.

keywords：Urban rail transit, regenerative braking energy, bypass DC loop, dispatch and management

沈小军男，1979年生，博士，教授，研究方向为新能源高效利用与储能技术、输变电场景三维重构及其数字孪生技术、电力设备状态感知与智能诊断技术。E-mail：xjshen79@163.com（通信作者）

魏鸿扬女，1995年生，硕士研究生，研究方向为城轨交通制动能量回收利用与节能技术。E-mail：hy_we1@163.com